混凝土耐久性與高性能混凝土

　　混凝土的耐久性是指混凝土結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境、使用環(huán)境及材料內(nèi)部因素作用下保持其工作能力的性能。使用環(huán)境中的氣體、液體和固體通過擴(kuò)散、滲透進(jìn)入混凝土內(nèi)部，發(fā)生物理和化學(xué)變化，多數(shù)情況下會導(dǎo)致硬化混凝土性能的劣化。發(fā)生嚴(yán)重的裂化后，常常影響到混凝土工程的壽命和安全性。以往工程中，習(xí)慣上只重視混凝土的強(qiáng)度，或片面追求高強(qiáng)度而忽視混凝土的耐久性。曾有調(diào)查表明，國內(nèi)一些工業(yè)建筑在使用25~30年后即需大修，處于嚴(yán)酷環(huán)境下的建筑物的使用壽命僅15~20年。許多工程建成后幾年就出現(xiàn)鋼筋銹蝕、混凝土開裂現(xiàn)象。

　　如何提高混凝土的耐久性與國民經(jīng)濟(jì)、社會安定、環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展等密切相關(guān)，是混凝土材料科學(xué)的重大研究課題，是工程界關(guān)注的重大科技問題。20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)的高性能混凝土的使用壽命能夠使混凝土結(jié)構(gòu)安全可靠地工作50～100年以上，是一種新型的高技術(shù)混凝土。高性能混凝土選用優(yōu)質(zhì)原材料，在配制技術(shù)上的特點(diǎn)是除水泥、水、砂、石4種組分之外，還摻加有足夠數(shù)量的礦物摻合料和化學(xué)外加劑；水膠比較傳統(tǒng)混凝土低。高性能混凝土以耐久性為設(shè)計(jì)目標(biāo)，兼顧強(qiáng)度和工作性，在節(jié)能、節(jié)料、工程經(jīng)濟(jì)、勞動保護(hù)及環(huán)境等方面也具有重要意義，被稱為“綠色混凝土”，是國內(nèi)外工程界研究的熱點(diǎn)。

　　國內(nèi)外高性能混凝土的研究進(jìn)展

　　1990年5月，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所和美國混凝土協(xié)會在馬里蘭州蓋瑟斯堡召開的會議上首先正式提出“高性能混凝土”這一名詞。實(shí)際上，此前的一些重要工程中已采用了高工作性和高耐久性的高強(qiáng)混凝土。

　　日本、歐洲、美國、加拿大都認(rèn)為高性能混凝土是一種跨世紀(jì)的新材料，在嚴(yán)酷環(huán)境中使用高性能混凝土具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。這些國家在高強(qiáng)高性能混凝土配制方法、耐久性能檢驗(yàn)方法和提高混凝土耐久性技術(shù)途徑方面進(jìn)行了大量的研究，并在橋梁、碼頭等易腐蝕結(jié)構(gòu)中成功地應(yīng)用了外摻活性摻合料的高性能混凝土。

　　中國對高性能混凝土的研究基本與國際同步。自上世紀(jì)90年代初期國家自然科學(xué)基金支持高性能混凝土研究開始，在多個國家大型科研項(xiàng)目的支持下，我國在高性能混凝土新材料研發(fā)、耐久性控制、設(shè)計(jì)和施工技術(shù)等方面取得突破：開發(fā)了多品種的工業(yè)廢渣摻合料，通過物理活化和化學(xué)活化解決早期活性、抗裂、收縮等問題，并大量應(yīng)用；從控制各種原材料的氯離子和含堿量入手控制混凝土的堿-集料反應(yīng)和鋼筋銹蝕反應(yīng)，全國很多地區(qū)和大型工程都建立了堿—集料反應(yīng)分布圖和安全集料礦山；清水混凝土技術(shù)及自流平混凝土制作的大型體育館看臺、盾構(gòu)管片、大口徑預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管都達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

　　國內(nèi)外通過近20年的研究和實(shí)踐，已經(jīng)得出一些制備高性能混凝土的具體技術(shù)措施：水泥、集料、摻合料的性能對混凝土耐久性影響很大，對其品種需加以認(rèn)真選擇。混凝土配合比設(shè)計(jì)時，盡量減少水泥用量和用水量，降低水化熱，減少裂縫，提高密實(shí)度；合理使用減水劑和引氣劑，改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)；摻入足量的礦物摻合料，提高混凝土耐久性能。按照使用環(huán)境設(shè)計(jì)相應(yīng)的混凝土保護(hù)層厚度，預(yù)防外界氣體和液體介質(zhì)滲入內(nèi)部，腐蝕鋼筋。混凝土工程拌制過程中應(yīng)提高混凝土拌合物的和易性，并減少用水量；大體積混凝土的澆筑振搗應(yīng)控制混凝土的溫度裂縫、收縮裂縫、施工裂縫；混凝土澆筑后，應(yīng)進(jìn)行充分合理的振搗，提高混凝土密實(shí)度和抗?jié)B性，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，減少混凝土裂縫。結(jié)構(gòu)在使用階段還應(yīng)注意檢測、維護(hù)和修理，對處于露天和惡劣環(huán)境下的基礎(chǔ)設(shè)施工程更應(yīng)如此。提高混凝土耐久性需要從原材料選擇、配合比設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工和后期維護(hù)等環(huán)節(jié)加以重視。

　　目前全世界都已經(jīng)把高性能混凝土的研究重點(diǎn)集中到混凝土服役壽命的設(shè)計(jì)方面。國際結(jié)構(gòu)混凝土聯(lián)合會在2006年6月提出了全概率方法的壽命設(shè)計(jì)流程圖，法國土木工程師學(xué)會在2007年提出了混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命設(shè)計(jì)指南，歐盟也正在研究提出一個過渡的基于性能的耐久性設(shè)計(jì)方法。我國的GB/T50476-2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》也是吸納了最新的國內(nèi)高性能混凝土耐久性研究最新成果，根據(jù)混凝土的環(huán)境條件進(jìn)行分級，規(guī)定混凝土的最大水膠比和最小水泥用量等參數(shù)來進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)?；炷练蹓勖脑O(shè)計(jì)研究建立的耐久性模型尚有許多不確定因素，有些模型參數(shù)還不能量化，確定這些參數(shù)的難度較大，另外還缺少重復(fù)性好的測試方法，對有些破壞類型還缺少可靠的模型，如干濕循環(huán)和硫酸鹽腐蝕等。

　　我國高性能混凝土研發(fā)取得的突出成果

　　從1996年開始，國家計(jì)委、國家科技部連續(xù)設(shè)立科技攻關(guān)項(xiàng)目和國家科技支撐項(xiàng)目，大力支持對高性能混凝土的創(chuàng)新研究。包括中國建筑材料科學(xué)研究總院在內(nèi)的國內(nèi)幾十所科研單位、高等院校的一大批專家完成多個高性能混凝土的研究項(xiàng)目，高性能混凝土的研究得到推廣和普及，并在多個重點(diǎn)工程中進(jìn)行實(shí)踐。

　　關(guān)注混凝土早期收縮開裂的控制

　　高性能混凝土配制時通常都使用較高的膠凝材料總量，并且摻有大量磨細(xì)礦物摻合料，這些措施引起了較大的混凝土自收縮，表現(xiàn)為混凝土的開裂趨勢增加。近年來，高性能混凝土研究的重點(diǎn)之一就是早期收縮的機(jī)理、測量方法和設(shè)備、影響因素和改善措施，取得了突出進(jìn)展。大連理工大學(xué)和中國建筑材料科學(xué)研究總院共同完成的國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的形成與發(fā)展機(jī)理及控制技術(shù)研究”是近年來針對混凝土早期收縮開裂問題開展系統(tǒng)研究的項(xiàng)目之一，該項(xiàng)目從材料和結(jié)構(gòu)兩個不同角度深入研究了影響混凝土早期收縮開裂的因素。研究工作有重要的學(xué)術(shù)意義和普遍的工程應(yīng)用價值。

　　開展多因素協(xié)同作用條件下水泥基材料失效機(jī)理的研究

　　在應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究方面，東南大學(xué)、中國建筑材料科學(xué)研究總院等單位都開展了多因素協(xié)同作用條件下水泥基材料失效機(jī)理的研究，針對侵蝕性離子在混凝土中的傳輸機(jī)理和機(jī)制等進(jìn)行了深入的研究和探討。中國建筑材料科學(xué)研究總院借助國家973項(xiàng)目的支持，結(jié)合工程實(shí)際研究揭示了高性能水泥基材料在化學(xué)介質(zhì)腐蝕、凍融循環(huán)、荷載等環(huán)境因素及其在二因素、三因素和四因素協(xié)同作用下的損傷失效行為規(guī)律，提出了混凝土中氯離子固化模型和鋼筋混凝土在多因素協(xié)同作用下的壽命預(yù)測模型，揭示了水泥熟料與輔助性膠凝材料的合理匹配是實(shí)現(xiàn)混凝土高性能化的關(guān)鍵，開發(fā)的多因素耦合作用下的混凝土性能測試裝置獲得國家專利。

　　中等強(qiáng)度等級高性能混凝土的研究和應(yīng)用

　　在“十五”科技攻關(guān)中，中國建筑材料科學(xué)研究總院對C30~C50中等強(qiáng)度混凝土高性能化的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了“壽命優(yōu)先，強(qiáng)度適宜”混凝土配合比設(shè)計(jì)思路，更科學(xué)定義了高性能混凝土應(yīng)具有良好的工作性、高的耐久性和工程所需要的強(qiáng)度。通過優(yōu)化膠凝材料顆粒級配，實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)缺陷最小化，達(dá)到強(qiáng)度和耐久性的合理匹配。該技術(shù)擴(kuò)大了高性能混凝土的使用范圍，在我國具有重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)和社會效益，也在理論和實(shí)踐上豐富了吳中偉院士上世紀(jì)90年代末，提出的“中等強(qiáng)度等級高性能混凝土”的概念。

　　高性能混凝土用化學(xué)外加劑快速發(fā)展

　　混凝土化學(xué)外加劑是配制高性能混凝土必不可少的原材料。我國自上個世紀(jì)50年代開始研制和少量使用混凝土化學(xué)外加劑。近10年來，在高性能混凝土快速發(fā)展的帶動下，合成減水劑也完成了升級換代，其中發(fā)展最突出的是聚羧酸系高性能減水劑，它具有較高的減水率、良好的坍落度保持性能和一定的引氣性，生產(chǎn)工藝比萘系簡單，2007年的產(chǎn)量達(dá)到41.43萬噸。國內(nèi)科研單位開發(fā)了多種具有創(chuàng)新性和實(shí)用性的外加劑產(chǎn)品。中國建筑材料科學(xué)研究總院開發(fā)了高速鐵路無砟軌道板專用早強(qiáng)型聚羧酸系高性能減水劑和早強(qiáng)礦物摻合料；研發(fā)了煤礦建設(shè)凍結(jié)法施工專用的早強(qiáng)減水劑和防裂密實(shí)劑，支持了我國重點(diǎn)工程高性能混凝土的施工。這些外加劑對控制混凝土體積變形、促進(jìn)早期強(qiáng)度發(fā)展、減少動態(tài)坍落度損失方面有特殊功能，成果在多家企業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用，獲得了很高的經(jīng)濟(jì)效益。

　　高性能混凝土技術(shù)在大量工程中應(yīng)用

　　在完成國家科技項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，形成了一系列高性能混凝土實(shí)用新技術(shù)成果。目前，科研院所都密切關(guān)注國家重大工程的需求，大力推廣科研成果，為我國重點(diǎn)工程提供高技術(shù)和優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，推動了我國混凝土設(shè)計(jì)由強(qiáng)度設(shè)計(jì)走向耐久性設(shè)計(jì)。高性能混凝土技術(shù)已推廣應(yīng)用到三峽工程、青藏鐵路、南水北調(diào)、田灣核電站、首都機(jī)場新航站樓、煤礦建井等多個國家重點(diǎn)工程中，并取得了顯著成績。

　　混凝土是當(dāng)今世界使用量最大、使用面最廣的建筑材料之一，提高混凝土工程的安全性和耐久性，成為當(dāng)前世界各國研究的熱點(diǎn)。隨著人們逐漸重視工程質(zhì)量、強(qiáng)調(diào)安全和環(huán)境保護(hù)，高性能混凝土真正進(jìn)入推廣應(yīng)用時期。對業(yè)主或用戶來說，混凝土的耐久性好，安全使用期長，可減少維修費(fèi)；對社會來說，高性能混凝土降低能耗、料耗，利用工業(yè)廢渣、減少噪聲污染，對環(huán)境有利；對施工者來說，高性能混凝土操作方便，改善勞動條件，加快進(jìn)度，減少模板和勞力；對于設(shè)計(jì)者來說，高性能混凝土減小斷面，減輕自身重量，增加使用空間。讓混凝土表現(xiàn)出良好的工作性、很高的耐久性和符合工程要求的強(qiáng)度，使之成為滿足重大工程需求的高性能混凝土，是建材科技工作者的責(zé)任，也是國家建設(shè)千年大計(jì)的保障。